NO172860B - Hivkompensator for stigeroer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en hivkompensator for bruk ved boring og produksjon til havs og særlig i et system for å oppta bevegelser og opprettholde et relativt konstant strekk i forbindelseslinene som strekker seg mellom et marint stigerør og en flytende bore- eller produksjonsplattform.

Oljeboring til havs har blitt en kritisk faktor når det gjelder tilfredsstillelse av nåtidens energibehov. Boring til havs representerer en relativt ny utvikling og har i de senere år gjennomgått betydelige forbedringer. En anerkjent teknikk for boring til havs benytter en flytende boreplattform som flyter på havoverflaten. Et marint stigerør strekkes fra borestedet på havbunnen til en posisjon nær overflaten og for-bindes méd den flytende plattform ved hjelp av en rekke festeliner eller stålkabler.

Disse festeliner må kunne oppta tilstrekkelige kref-ter til å holde stigerøret i tilnærmet vertikal stilling. Imidlertid har stigerøret hovedsakelig en fast stilling i forhold til havbunnen, mens den flytende plattform heves og sen-kes og beveges horisontalt under påvirkning av vannets bevegelse ved havoverflaten. Det må følgelig sørges for at festelinene kan oppta den relative bevegelse mellom stigerøret og den flytende plattform samtidig som linene opptar den nødven-dige kraft for å holde stigerøret opprett.

Tidligere ble hydropneumatiske systemer anordnet på den flytende plattform og benyttet til å gi ut eller ta inn festelinene mens den nødvendige strekkraft ble opprettholdt i dem, f.eks. ved at linen er forbundet med et stempel som kan bevege seg inne i en sylinder. Stemplet kan da beveges over sylinderens lengde mens et bestemt hydraulisk eller pneumatisk trykk utøves på stemplet for å strekke linen.

Samtlige hittil anvendte hydropneumatiske systemer har vært aktive systemer. Dette betyr at det må tilveiebringes en konstant bevegelse av trykkluft eller hydraulisk fluid under trykk mens den flytende plattform beveger seg i forhold til stigerøret for å holde systemet i drift. En svikt i meka-nismene som sørger for overføring av fluid under trykk vil derfor alvorlig svekke forbindelsen mellom stigerøret og off-shore-plattformen. Anvendelsen av et stempel og en sylinder krever også pakninger som vil slites og etter hvert vil kunne svikte under drift, og dette fører til ikke ubetydelige av-brudd og kostbare reparasjoner. Behovet for trykkluft eller fluid under trykk krever også pumper og tilknyttet utrustning montert på den flytende plattform i tillegg til det mangfold av utstyr som allerede må finnes på denne.

Det er følgelig et behov for et forbedret system i form av en hivkompensator og som er i stand til å holde et konstant strekk i festelinene som forbinder et stigerør med en flytende plattform og hvor strekket i linene opprettholdes mens de gis ut eller tas inn fra plattformen på grunn av relativ bevegelse av denne i forhold til stigerøret. Hivkompensatoren er nærmere bestemt av den type som fremgår av innlednin-gen av det etterfølgende patentkrav 1. Denne hivkompensator er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristik-ken i dette krav. Nærmere enkeltheter og ytterligere trekk ved oppfinnelsens hivkompensator vil fremgå av de etterfølgende uselvstendige krav 2 - 4.

Oppfinnelsens hivkompensator skal nå beskrives i nærmere detalj, det vises samtidig til de tilhørende tegninger, hvor fig. 1 viser en oversikt over en flytende plattform og et marint stigerør som er forbundet med plattformen ved hjelp av flere strekkliner innenfor et system som sørger for å holde et bestemt strekk i linene og som representerer en første utfør-elsesform av oppfinnelsens hivkompensator, fig. 2a og 2b viser hvordan hver strekkline gis ut eller tas inn etter hvert som stigerøret beveger seg i forhold til den flytende plattform, fig. 3 viser et oppriss av hivkompensatoren delvis gjennom-skåret med sine skiver med variabel omkrets og sine elastomere elementer, fig. 4 viser et utsnitt av et slikt elastomert element i henhold til fig. 3, * fig. 5 viser et utsnitt av et alternativt elastomert element som kan benyttes i hivkompensatoren vist på fig. 3, og fig. 6 viser grafisk sammenhengen mellom linestrekket og stigerørbevegelsen når oppfinnelsens hivkompensator er i bruk og kompenserer for bevegelsen mellom stigerør og den flytende plattform.

På tegningene angir samme henvisningstall samme eller tilsvarende element på flere figurer. Oversiktsskissen på fig. 1 viser et hivkompensatorsystem i henhold til oppfinnelsen, med fire hivkompensatorer 10, en i hvert hjørne av en flytende plattform 12. Et marint stigerør 14 holdes oppe i strekk fra den flytende plattform 12 ved hjelp av flere festeliner 16 som hver er festet til en hivkompensator 10 og hvor hver av hivkompensatorene 10 sørger for å tilveiebringe et tilnærmet konstant forhåndsbestemt strekk i sin tilhørende strekkline 16 mens denne gis ut eller tas inn for å tillate bevegelsesfrihet for den flytende plattform 12 i forhold til det marine stige-rør 14 som følge av bevegelser i vannmassen ved havoverflaten. Ved å benytte et slikt hivkompensatorsystem kan den flytende plattform 12 holde stigerøret 14 forbundet med havbunnen og samtidig tillate betydelige vertikale og horisontale bevegelser av plattformen i forhold til stigerøret. I normal drift kan en slik plattform ofte bevege seg omkring 10 m i nær sagt hvilken som helst retning fra et utgangspunkt mellom plattformen og stigerøret.

Fra fig. 1 fremgår videre at hver hivkompensator 10 er anordnet slik at dens strekkline løper over en blokk 18 slik at linen får et tilnærmet horisontalt parti mellom blokken og hivkompensatoren 10 før linen fra blokken går ned i mer vertikal retning til stigerøret. Hivkompensatorene 10 kan naturligvis også være anordnet i forhold til stigerøret 14 slik at det er unødvendig med blokker 18, men det er likevel fordelaktig å anvende slike blokker 18 fordi dette muliggjør en plassering av hivkompensatoren 10 lenger vekk fra plattfor-mens 12 sentrale åpning 20 ovenfor stigerøret 14, da dette området av plattformen ofte er okkupert med annen utrustning. Den flytende plattform 12 kan benyttes for både bore- og pro-duksjons formål.

På fig. 2-5 kan hivkompensatoren betraktes i nærmere enkeltheter og kan ses å bestå av en stiv ramme 22 som direkte er forbundet med den flytende plattform 12. Rammen 22 kan ses å omfatte en sylinderdel 24 som i det følgende vil bli kalt sylinder.

Ved den nedre ende 22 av sylinderen 24 er det anordnet en skive 30 med variabel oppkveilingsradius og montert dreibar på sylinderen for dreining om en aksel 34 som sammen-faller med den langsgående sylinderakse. Med særlig henvisning til fig. 2a, 2b og 3 vil man se at skiven 30 har et spiralfor-met oppkveilingsspor 36 som starter nær akselen 34 ved den nedre ende 28 av sylinderen og gradvis går utover med større oppkveilingsradius fra akselen 34 i retning fra enden 28. Skiven 30 omfatter dessuten en bremseskive 38 på utsiden av sylinderen 24, og på fig. 3 ses også en anleggsplate 40 som er anordnet inne i sylinderen 24.

Et første sylindrisk elastomert element 42 er festet ved sin nedre ende til anleggsplaten 40 på en passende måte. Elementet 42 strekker seg over hovedsakelig hele lengden av sylinderen 24 og er sentrert på akselen 34. En andre aksel 44 strekker seg langs den første aksel 34 og er gjenget i begge ender. En mutter 45 er skrudd inn på den andre aksels 44 øvre gjengede ende 52-, mens en mutter 47 og en låsemutter 47' er skrudd på dens nedre gjengede ende som ligger an mot bunnen av et lager 48 som muliggjør relativ bevegelse i forhold til anleggsplaten 40, om den første aksel 34. Nær den andre aksels 44 øvre ende er det festet et anlegg 50 som kan dreies om den første aksel 34 og altså i forhold til den andre aksel 44, og som samtidig kan gli langs denne inntil anlegget 50 får kon-takt med mutteren 45. Det øvre parti av det første elastomere element 42 er festet til anlegget 50 ved hjelp av en passende forbindelse. Ved å innstille mutteren 45 og/mutteren 47 vil det elastomere element 42 kunne presses sammen mellom anlegget 50 og anleggsplaten 40 langs den første aksel 34 for å øke styrken av elementet 42. Den andre aksel 44 vil tillate relativ bevegelse mellom anleggsplaten 40 og anlegget 50 også når elementet 42 deformeres ved vridning. En støvhette 49 med en eller annen passende konstruksjon kan være montert for å beskytte den øvre del av den andre aksel 44.

Et andre sylindrisk elastomert element 54 omslutter det første element 42 og er likeledes sentrert om den første aksel 34. Det øvre parti av dette andre element 54 er likeledes festet til anlegget 50, mens det nedre parti av elementet er festet til en plattform 56 som på sin side er dreibart festet til den nedre ende 28 ved hjelp av et lager 58. Elementet 54 er fortrinnsvis også presset sammen langs den første aksel 34 ved innstilling av mutteren 45 og/eller mutteren 47 for å øke elementets styrke.

Et tredje sylindrisk elastomert element 60 omslutter både det første 42 og det andre element 54 og er som disse sentrert om den første aksel 34. Det nedre parti av dette tredje element 60 er likeledes festet til plattformen 56, mens det øvre parti av elementet er festet til et ringelement 62 som er montert på den øvre ende av sylinderen 24 for dreining om den første aksel 34. Elementet 60 er også fortrinnsvis for-spent langs denne aksel 34 mellom plattformen 56 og ringelementet 62 for å øke det elastomere elements 60 styrke.

Som det best fremgår av fig. 3 er den indre plate av ringelementet 62 forsynt med tenner 64 som er i inngrep med tennene på flere pinjongdrev 66 rundt ringelementets indre omkrets, idet hvert av pinjongdrevene 66 utgjør en del av en drivenhet 68. Hver enkelt drivenhet 68 omfatter også en motor 70, en motorbrems 72, et reduksjonsgir 74 og en drivaksel 76 som strekker seg fra reduksjonsgiret 74 på hvilket pinjong-drevet 66 er montert. Det vil lett forstås at dersom motorbremsen 72 for hver drivenhet 68 aktiveres for å hindre dreining av den tilhørende drivaksel 76 vil ringelementet 62 holdes fast i forhold til rammen 22. Egnede elektriske forbindel-seselementer 78 er koblet til drivenhetene 68 slik at motorene 70 kan dreies simultant og med samme hastighet for å dreie ringelementet 62 i en av dreieretningene om den første aksel 34. En kappe 80 kan være festet til rammen 22 for å beskytte drivenhetene 68.

Hvis motorbremsene 72 aktiveres slik at ringelementet 62 holdes fast i forhold til rammen 22 vil dreining av skiven

30 om akselen 34 føre til deformasjon av de elastomere elementer 42, 54 og 60 ved dreining. Disse elementer kan ses å være anordnet i rekker og er fortrinnsvis konstruert slik at et gitt dreiemoment på skiven 30 for dreining av denne om akselen 34 fører til samme vinkeldeformasjon av hvert av de elastomere elementer. Det skal bemerkes at den radiale tykkelse av disse elementer avtar med den radiale avstand fra akselen 34 for å kunne oppnå et slikt resultat. Dessuten vil det foretrekkes å holde skjærspenningene i de elastomere elementer like slik at slitasjen blir jevn. Når avstanden fra akselen 34 øker og så-ledes momentarmen øker, vil et mindre areal være tilstrekkelig i det elastomere element for å motvirke et gitt dreiemoment og som fører til en reduksjon i tykkelsen av det elastomere ele-

ment lenger ut fra akselen 34.

Fig. 4 viser et utsnitt av det elastomere element 42 som omfatter en rekke stive ringer 86 som hver danner en del av en konus. Elastomere delelementer 88 forbinder hver av ringene 86 og er festet til dem ved hjelp av en passende teknikk. Det skal bemerkes at profilen 90 av de elastiske delelementer 88 mellom hver av ringene 86 gir reduserte strekkpåkjenninger i elementene for å motstå eventuelle bruddtendenser. Fig. 5 viser en alternativ konstruksjon av det elastomere element. I denne utførelse ligger en rekke ringer 92 som hver danner en del av en konus fullstendig innlemmet i et elastomert legeme 94.

I den foretrukne utførelsesform er de elastomere delelementer 88 utført av en blanding av naturgummi og butadien med hardhet 60 til 70 durometer. Hvert av de elastomere delelementer har en tykkelse som fortrinnsvis er fire til seks ganger tykkelsen av de stive ringer 86 som tjener til forkom-presjon av delelementene for å øke styrken og levetiden av det elastomere materiale i delelementene.

Ved brui: festes hver strekkline 16 med den ene ende til det marine stigerør 14 og føres så over blokken 18 til hivkompensatoren 10 over skiven 30 nær den ytterste del av det spiralformede oppkveilingsspor 36.

For stramming av hver strekkline aktiveres så motorene 70 på hivkompensatoren 10 for å dreie ringelementet og ta inn slakk i linen ved å kveile opp denne om skiven 30 når linen ligger i sporet 36. Når den flytende plattform 12 har inntatt sin riktige stilling i forhold til stigerøret 14 er det foretrukket å kveile opp tilstrekkelig mye av strekklinen 16 på skiven 30 til å fylle den radialt sett ytre halvdel av sporet 36 for det forhåndsbestemte strekk som utøves på og overføres langs strekklinen 16.

Når så dette forhåndsbestemte konstante strekk fore-ligger i en strekkline 16 ved dreining av ringelementet stan-ses motorene 70. Motorbremsene 72 aktiveres så for å holde elementet 62 fast i forhold til rammen 22. Hvis en annen verdi av strekket ønskes, behøver naturligvis motorene 70 bare aktiveres for dreining av ringelementet 62 for å tilveiebringe dette nye strekk, og bremsene 72 aktiveres da for å holde dette strekk. Dette kan f.eks. utføres hvis en av hivkompensatorene på plattformen 12 fjernes og de gjenværende hivkompensatorer 10 da må oppta et større strekk på de gjenværende liner 16 for å holde stigerøret.

Selv om et hvilket som helst antall drivenheter 68 kan benyttes vil det være foretrukket å benytte et så stort antall at tannbelastningen på pinjongdrevenes 66 og ringelementets tenner 64 reduseres til et passende nivå for pålitelig drift. Hvis det i stedet ble benyttet en skive med konstant diameter av oppviklingssporet ville strekket i linen når denne ble gitt ut fra skiven ikke lenger være konstant når de elastomere elementer ble deformert som følge av vridning. Hvis strekklinen ble tatt inn på en slik skive med samme diameter ville heller ikke linestrekket holdes konstant under den av-tagende deformasjon i de elastiske elementer. Imidlertid er i samsvar med foreliggende oppfinnelse skiven 30 konstruert slik at den gradvis endrede radius av oppkveilingssporet 36 kompenserer for variasjonen i kraft som påtrykkes de elastomere elementer slik at en relativt konstant forhåndsbestemt strekk-verdi hele tiden påtrykkes linen 16 og temmelig uavhengig av deformasjonen av de elastomere elementer. Etterhvert som mer av linen 16 gis ut fra skiven 30 vil dette skje fra et punkt på skiven nærmere den ytre periferi av denne som vist på fig. 2b, og det betyr at en lengre arm ligger inne mellom akselen 34 og det punkt 82b hvor strekklinen 16 forlater oppkveilingssporet 36, hvorved det kompenseres for det økede dreiemoment som er nødvendig for defrmasjon av de elastomere elementer. Når på tilsvarende måte strekklinen 16 tas inn ved opp-kveiling på skiven 30 vil linen stadig oppta mer av sporet og den momentarm som ligger inne mellom akselen 34 og punktet 82a (fig. 2a) hvor linen først berører skiven avtar for å kompen-sere for det reduserte dreiemoment som utøves av de elastomere elementer. Strekket i linen opprettholdes følgelig temmelig konstant ved at momentarmen mellom akselen 34 og det punkt hvor linen forlater sporet 36 endres, hvorved det kompenseres for variasjoner i dreiemomentet fra de elastomere elementer når disse er vridde. Fig. 6 viser en kurve som indikerer hvordan strekkspenningen i en line 16 forløper, når denne line inngår i strekksystemet i samsvar med foreliggende oppfinnelse, og hvor hivkompensatorene ble utviklet for å tillate en total bevegelse av strekklinen på ca. 16 m, dvs. 8 m i hver retning fra et ønsket ideelt startpunkt.

Som det fremgår av diagrammet på fig. 6 gir hivkompensatoren 10 en meget effektiv teknikk for å tilveiebringe et bestemt strekk i en strekkline 16 når denne gis ut eller tas inn i avhengighet av bevegelsene av en flytende plattform 12 i forhold til et marint stigerør 14. Hivkompensatoren 10 er

dessuten en passiv konstruksjon i motsetning til tidligere innretninger i de kjente strekksystemer. I normal drift er strekkraften tilveiebrakt rett og slett ved deformasjon av de elastiske elementer og krever ingen ytre energitilførsel for kontinuerlig drift. I de tidligere kjente hydropneumatiske strekksystemer må en' kontinuerlig overføring av fluid tilveiebringes for å opprettholde den ønskede strekkspenning i linene når plattformen beveger seg i forhold til stigerøret, og dersom overføringen av fluid av en eller annen grunn brytes f.eks. ved mekanisk svikt, vil ikke systemet lenger virke til-fredsstillende. I motsetning til dette vil hivkompensatoren ifølge foreliggende oppfinnelse fortsette å virke selv om krafttilførselen til plattformen 12 skulle bli borte, og dette gir betydelige driftsfordeler i forhold til konstruksjoner i samsvar med den kjente teknikk. I den foreliggende konstruksjon er det heller ikke noe behov for tilførsel av hydraulisk fluid, tilførsel av trykkluft eller utskifting av pakninger i forbindelse med noe stempel. Dette betyr redusert dødtid og lavere vedlikeholdskostnader. Det at den foreliggende oppfinnelse dreier seg om en passiv innretning reduserer behovet for ytterligere utrustning såsom hydraulikk- eller luftpumper og reduserer følgelig betydelig plassproblemene på en slik flytende plattform. Hivkompensatoren 10 har en ytterligere sikker-hetsfordel dersom en strekkline 16 skulle ryke. En strekkcelle 96 er anordnet på hver hivkompensator 10 for å overvåke linens

strekk. Strekkcellen 96 aktiverer bremsesystemets styrenettverk 97 dersom en line skulle ryke. Hvis dette styrenettverk aktiveres vil dette medføre at en serie bremsehus 98 som er festet til rammen 22 aktiveres for å klemme rundt bremseskiven 38 som står i forbindelse med skiven 30. Dette vil umiddelbart stanse enhver bevegelse av skiven i forhold til rammen og

hindre at den røkne eller løsnede strekkline 16 skader noe av utrustningen eller personell. Selv om kun et utførelseseksem-pel av den foreliggende oppfinnelse er illustrert i de led-sagende tegninger og beskrevet i det foregående, vil det forstås at oppfinnelsen ikke begrenses til dette viste og be-skrevne eksempel, men vil kunne gi rom for en rekke konfigura-sjoner, modifikasjoner og erstatninger av elementer og deler uten at dette fraviker rammen for og idéen bak oppfinnelsen.

Claims (4)

1. Hivkompensator for å oppta bevegelser mellom en flytende platform (12) og et stigerør (14) under strekking av en strekkline (16) som tillates å bevege seg en forhåndsbestemt distanse når den flytende plattform (12) beveger seg i forhold til stigerøret (14), KARAKTERISERT VED en ramme (22) som omfatter en sylinder (24) og har, innrettet for dreining om en første aksel (34): ved en første ende en anleggsplate (40) og andre ende et anlegg (50) og et ringelement (62), idet ring elementet har en rekke tenner på sin indre omkrets, en skive (30) anordnet ved den første ende av sylinderen (24) for dreining om den første aksel (34), idet skiven (30) har et spiral-formet oppkveilingsspor (36) som snor seg radialt utover fra den første aksel og er innrettet for opptak av strekklinen (16), at linen er festet nær den radialt sett ytterste del av sporet og gis ut fra eller kveiles opp i sporet på skiven (30) når denne dreies om den første aksel, et første sylindrisk elastomert element (42) som er sentrert om den første aksel (34) innenfor sylinderen (24), er vridningsdeformerbart om akselen, har en første ende festet til anleggsplaten (40) og har en andre ende festet til anlegget (50), et andre sylindrisk elastomert element (54) som er sentrert om den første aksel (34) innenfor sylinderen (24), er konsentrisk anordnet i forhold til det første elastomere element (42), er vridningsdeformerbart om akselen, har en første ende festet til en ytterligere plattform (56) og har en andre ende festet til anlegget (50), et tredje sylindrisk elastomert element (60) som er sentrert om den første aksel (34) innenfor sylinderen (24), er vridningsdeformerbart om den første aksel (34), er anordnet konsentrisk i forhold til det første og det andre element, har en første ende festet til den ytterligere plattform (56) og har en andre ende festet til ringelementet (62), og minst én drivenhet (68) anordnet på rammen (22) og omfat-tende en motor (70) for dreining av sin drivaksel (76) i en bestemt retning, et pinjongdrev (66) anordnet for dreining med motorens drivaksel (76) og tanninngrep med ringelementets (62) tenner (64), samt en motorbrems for å hindre dreining av motorens drivaksel, idet motoren (70) aktiveres for å deformere det første, det andre og tredje elastomere element under vridning for derved å dreie skiven (30) og gi strekkspenning til linen (16) inntil den forhåndsbestemte verdi, at motorbremsen deretter låser ringelementet i forhold til rammen (22), og at den radiale avstand mellom den første aksel og det punkt (82å, 82b) hvor linen forlater sporet (36) i skiven (30) varierer etter som skiven dreier om den første aksel for å gi ut eller kveile opp linen for kompensering av variasjonen i dreiemoment bevirket av de elastomere elementer under vridningsdeforma-sjonen slik at linen holdes strukket med den forhåndsbestemte strekkspenning.

2. Hivkompensator ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at tykkelsen av de elastomere elementer avtar med den radiale avstand fra den første aksel slik at den vinkelmessige dreining av hvert av elementene er den samme når et dreiemoment utøves og deformerer dem.

3. Hivkompensator ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED en bremsemekanisme for bremsing av skiven (30) i forhold til rammen (22) for å hindre ukontrollert dreining av skiven dersom linen svikter, idet bremsemekanismen i det minste omfatter én bremseskive (38) montert på skiven (30), i det minste ett bremsehus (98) anordnet på rammen (22) for inngrep med skiven (30) og for å stanse dennes bevegelse når inngrep utøves, et styrenettverk (97) for bremsesystemet, innrettet for å styre bremsemekanismen, og en strekkcelle (96) for å overvåke linens strekk og aktivere styrenettverket (97) dersom linen skulle ryke.

4. Hivkompensator ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at hvert av de elastomere elementer omfatter elastomert materiale separert av koniske, stive ringer (86, 92).